基于BIM的建筑結(jié)構(gòu)正向設(shè)計(jì)

叢開(kāi)良

上海市建工設(shè)計(jì)研究總院有限公司 上海 200235

建筑信息模型（building information model，BIM）技術(shù)作為一種可應(yīng)用于工程全生命周期的數(shù)字信息平臺(tái)，在項(xiàng)目策劃、設(shè)計(jì)、實(shí)施至運(yùn)維的全過(guò)程中，均發(fā)揮著重要的作用。尤其是在設(shè)計(jì)階段中，可以通過(guò)定義模型構(gòu)件參數(shù)及屬性，實(shí)現(xiàn)信息的實(shí)時(shí)同步與精準(zhǔn)反映。在面對(duì)各種大量復(fù)雜工程的信息時(shí)，BIM能夠幫助設(shè)計(jì)人員更為直觀和準(zhǔn)確地處理信息，在提高工作效率、合理縮短工期并優(yōu)化成本控制等方面發(fā)揮著其應(yīng)有的作用。

1 基于BIM的正向設(shè)計(jì)

目前，BIM技術(shù)的主要應(yīng)用是針對(duì)設(shè)計(jì)階段后期和施工過(guò)程的核對(duì)，按既有圖紙將二維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為BIM三維模型來(lái)排除圖紙錯(cuò)誤，檢查碰撞、沖突等問(wèn)題，即在設(shè)計(jì)與施工之間增加二次排查，也就是BIM技術(shù)的反向應(yīng)用。但當(dāng)工程復(fù)雜性高時(shí)，上述反向應(yīng)用反而會(huì)造成人力、資源等成本投入成倍增加，多專(zhuān)業(yè)的反復(fù)修改會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)周期延長(zhǎng)，從而降低了工作效率。

BIM技術(shù)的反向應(yīng)用對(duì)BIM技術(shù)的附加值使用較低，無(wú)法最大程度推動(dòng)設(shè)計(jì)行業(yè)的飛躍，因此基于BIM的正向設(shè)計(jì)[1]概念應(yīng)運(yùn)而生。

1.1 正向設(shè)計(jì)

基于BIM的正向設(shè)計(jì)是以BIM模型為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，由多專(zhuān)業(yè)在同一信息模型平臺(tái)上完成項(xiàng)目全過(guò)程的三維設(shè)計(jì)。模型完成后，生成對(duì)應(yīng)的綜合和專(zhuān)業(yè)施工圖紙，即 先有模型，后有施工圖 。通過(guò)BIM模型數(shù)據(jù)，可以從中提取多種目標(biāo)信息，通過(guò)計(jì)算機(jī)的同源信息直接讀取，避免了不同專(zhuān)業(yè)的信息誤差、人為主觀等因素帶來(lái)的復(fù)合信息差異的影響，大大提升了項(xiàng)目的工作效率、設(shè)計(jì)精度和質(zhì)量?；贐IM的正向設(shè)計(jì)，通過(guò)建立BIM模型實(shí)現(xiàn)多專(zhuān)業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)、信息協(xié)調(diào)、施工圖出圖、施工深化及后期運(yùn)維管理，提早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷，實(shí)現(xiàn)同步提升模型與設(shè)計(jì)圖紙，統(tǒng)一BIM模型與二維圖紙?jiān)O(shè)計(jì)，提高了設(shè)計(jì)效率及圖紙質(zhì)量，降低了施工難度并節(jié)約了成本。

1.2 工程案例

本文以上海市黃浦江灘地地帶某會(huì)議中心工程為例，工程地上為3層鋼框架結(jié)構(gòu)，地下為3層地下室，工程設(shè)計(jì)為BIM正向設(shè)計(jì)，采用地上地下同步逆序施工。

2 基于BIM的設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)

2.1 三維立體設(shè)計(jì)

建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目前通常通過(guò)PKPM、YJK等專(zhuān)業(yè)軟件計(jì)算后，采用CAD等二維軟件進(jìn)行繪圖，在設(shè)計(jì)過(guò)程中,傳統(tǒng)平面、立面和剖面圖紙不能完整表達(dá)主體建筑信息。而B(niǎo)IM技術(shù)可以將建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)信息通過(guò)三維模型構(gòu)建出相應(yīng)的實(shí)體模型，更加直觀、清晰地對(duì)構(gòu)件信息進(jìn)行全面設(shè)計(jì)模擬和同步設(shè)計(jì)，完整地反映整體設(shè)計(jì)信息。

首先，通過(guò)BIM設(shè)計(jì)，在BIM模型中，三維可視化展示能夠?qū)⒔ㄖY(jié)構(gòu)關(guān)系、建筑結(jié)構(gòu)與水暖電等的關(guān)系直觀準(zhǔn)確地反映出來(lái)，結(jié)合相關(guān)設(shè)計(jì)工況更好地模擬實(shí)施過(guò)程，能夠?qū)υO(shè)計(jì)方案中可能發(fā)生的碰撞、沖突等問(wèn)題提前做好預(yù)案，從而提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。案例工程中，通過(guò)BIM設(shè)計(jì)提前對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件較大處的復(fù)雜水暖電管線情況，采用結(jié)構(gòu)預(yù)留套管、梁上開(kāi)洞等手段進(jìn)行處理，從而有效地解決了室內(nèi)使用空間凈高不足的問(wèn)題。

其次，利用BIM技術(shù)模擬建筑設(shè)計(jì)中關(guān)鍵的、重點(diǎn)的環(huán)節(jié)，必要時(shí)可以模擬整個(gè)施工過(guò)程。根據(jù)模擬具體施工工況，設(shè)計(jì)師能夠規(guī)避潛在問(wèn)題，進(jìn)而合理地調(diào)整設(shè)計(jì)方案。

2.2 多專(zhuān)業(yè)多角度協(xié)同設(shè)計(jì)

BIM設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)在設(shè)計(jì)建筑結(jié)構(gòu)的同時(shí)，通過(guò)檢查室內(nèi)外觀感效果、室內(nèi)空間凈高檢測(cè)、水暖電管線總體排布等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)多專(zhuān)業(yè)的完美協(xié)調(diào)和互相配合，并通過(guò)模型數(shù)據(jù)精準(zhǔn)反映出建筑設(shè)計(jì)中存在的不合理問(wèn)題，有效縮短自查、會(huì)審等時(shí)間，有針對(duì)性地制定解決方案，減少額外工作成本。

案例工程的地下主體結(jié)構(gòu)完成后，因后續(xù)要求增加水暖電管線而導(dǎo)致局部實(shí)際室內(nèi)凈高不滿足裝飾要求。最初，梁柱節(jié)點(diǎn)處設(shè)計(jì)采用環(huán)梁錨固鋼筋，環(huán)梁占用空間較大，新增線路無(wú)法通過(guò)，因此，設(shè)計(jì)時(shí)將環(huán)梁改為環(huán)板錨固鋼筋，使問(wèn)題得到解決。

2.3 實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目信息集成化，構(gòu)建智慧建筑

BIM設(shè)計(jì)實(shí)質(zhì)是構(gòu)建出一個(gè)虛擬數(shù)據(jù)信息模型，可以實(shí)現(xiàn)各階段的信息集成，進(jìn)一步推動(dòng)智慧建筑建設(shè)。通過(guò)智慧建筑的概念，BIM技術(shù)、建筑技術(shù)與現(xiàn)代高新技術(shù)結(jié)合，形成以計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和多媒體技術(shù)等系統(tǒng)工程為基礎(chǔ)的建筑運(yùn)營(yíng)BIM全生命周期智能化平臺(tái)。

綜合BIM技術(shù)的要求，建設(shè)符合運(yùn)維的兼顧建筑功能與現(xiàn)代信息技術(shù)的現(xiàn)代智能化建筑群落，BIM能夠很好地推動(dòng)城市智慧建筑的構(gòu)建，未來(lái)智慧建筑的建設(shè)必將結(jié)合BIM等現(xiàn)代建筑技術(shù)。案例工程中集成了計(jì)算機(jī)技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)、智能控制技術(shù)、生物識(shí)別技術(shù)、多媒體顯示技術(shù)等多項(xiàng)技術(shù)系統(tǒng)，通過(guò)管理內(nèi)部設(shè)施、建筑環(huán)境和信息，應(yīng)用BIM進(jìn)行正向設(shè)計(jì)、實(shí)施管控等，為后期運(yùn)維提供必要保障。

3 基于BIM的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的優(yōu)化

BIM技術(shù)能夠直觀高效地模擬建筑結(jié)構(gòu)和其他專(zhuān)業(yè)的實(shí)體，優(yōu)化較復(fù)雜的工程建筑結(jié)構(gòu)方案。在復(fù)雜的建筑工程設(shè)計(jì)中，BIM技術(shù)以動(dòng)態(tài)的形式將整體建筑結(jié)構(gòu)等表現(xiàn)出來(lái)，更直接地對(duì)建筑結(jié)構(gòu)尺寸、空間、顏色等參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，及時(shí)發(fā)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的質(zhì)量問(wèn)題，確定更加完善的方案，從而采取有效的優(yōu)化措施。案例工程中表現(xiàn)為：建筑模型對(duì)結(jié)構(gòu)板面標(biāo)高、預(yù)留洞口等的優(yōu)化統(tǒng)一，以及結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸、建筑墻體位置和門(mén)窗洞口位置的優(yōu)化。

同樣，在設(shè)計(jì)過(guò)程中可以利用BIM平臺(tái)技術(shù)模擬施工過(guò)程中的內(nèi)容方法和應(yīng)用措施，并基于水暖電綜合模型，按照使用功能對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行反優(yōu)化，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中不合理的情況，并修改設(shè)計(jì)方案，避免返工，提升建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的質(zhì)量、效率。

3.2 BIM在施工圖設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用

眾所周知，施工圖質(zhì)量在一定程度上決定了施工質(zhì)量，對(duì)工程建設(shè)的開(kāi)展和工程品質(zhì)的保證都很重要。在施工圖設(shè)計(jì)階段，BIM本身族庫(kù)構(gòu)件的數(shù)量、外觀效果與實(shí)際工程存在差異，在項(xiàng)目施工圖深度模型的搭建過(guò)程中，需對(duì)出圖族進(jìn)行二次深化加工（或者新建族），主要包括出圖視圖樣板的建立、標(biāo)注標(biāo)記及顯示的設(shè)置等，在保證圖模一致的前提下，滿足出圖深度要求，過(guò)程中要注意以下幾個(gè)方面：

1）建立項(xiàng)目BIM標(biāo)準(zhǔn)。首先，項(xiàng)目準(zhǔn)備階段需制定符合相關(guān)國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施規(guī)則，明確項(xiàng)目的全部工作內(nèi)容，根據(jù)項(xiàng)目實(shí)施的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，制定項(xiàng)目各階段進(jìn)度計(jì)劃安排。其次，在項(xiàng)目開(kāi)展時(shí)，逐步深化項(xiàng)目的工作模式和后續(xù)交付、審查、使用標(biāo)準(zhǔn)，制定BIM實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)。此外，根據(jù)專(zhuān)業(yè)劃分的模型文件、圖紙文件命名規(guī)則應(yīng)規(guī)范合理、簡(jiǎn)潔通用，模型構(gòu)件的名稱應(yīng)基本與現(xiàn)行規(guī)范的對(duì)象名稱統(tǒng)一，名稱關(guān)鍵詞簡(jiǎn)潔適用。

2）軟件平臺(tái)兼容要求。各專(zhuān)業(yè)確定統(tǒng)一的BIM軟件和版本。案例工程中：全專(zhuān)業(yè)模型軟件主要采用Revit軟件2016版，所有模型以此作為統(tǒng)一的軟件平臺(tái)；采用結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)YJK軟件計(jì)算結(jié)構(gòu)，模型可轉(zhuǎn)換為Revit格式，導(dǎo)入總體模型中進(jìn)行綜合；采用Fuzor軟件輸出輕量化三維模型，用于會(huì)議討論、展示匯報(bào)等；采用Navisworks軟件檢測(cè)碰撞并匯總到專(zhuān)業(yè)問(wèn)題報(bào)告中；應(yīng)用Lumion軟件制作效果展示輸出文件，以達(dá)到比Revit軟件渲染效果更亮麗鮮活的目標(biāo)。

3）BIM用戶的協(xié)同模式。BIM內(nèi)部的配合采用鏈接與中心文件結(jié)合的方式：土建與設(shè)備專(zhuān)業(yè)間采用鏈接的協(xié)同模式，減少因多專(zhuān)業(yè)配合帶來(lái)的人為操作失誤；建筑與結(jié)構(gòu)、設(shè)備內(nèi)部專(zhuān)業(yè)采用中心文件協(xié)同模式，保證平行專(zhuān)業(yè)間信息傳遞的完整性和可調(diào)整性。此外，BIM模型構(gòu)件應(yīng)按不同專(zhuān)業(yè)、不同系統(tǒng)進(jìn)行總體拆分，涵蓋建筑、結(jié)構(gòu)、水暖電等專(zhuān)業(yè)的BIM建模最小單元，完成BIM模型分解后的最小模型，案例工程采用專(zhuān)業(yè)、自然樓號(hào)、自然樓層來(lái)劃分。

4）在施工、運(yùn)維階段的延伸。一方面，BIM技術(shù)通過(guò)施工模擬的動(dòng)態(tài)模型，能夠?qū)崟r(shí)反映施工進(jìn)度，通過(guò)對(duì)人工安排、材料消耗、機(jī)械配備和施工方法的實(shí)際情況與計(jì)劃進(jìn)行對(duì)比，及時(shí)將相關(guān)信息反饋給設(shè)計(jì)人員和管理人員，以便及時(shí)對(duì)相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整；另一方面，BIM技術(shù)的應(yīng)用能夠?qū)罄m(xù)全程進(jìn)行跟蹤管理，對(duì)全部環(huán)節(jié)進(jìn)行控制和管理。

4 BIM設(shè)計(jì)推廣的難點(diǎn)

基于BIM的正向設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)行業(yè)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)和必然要求，但是在其發(fā)展推廣的道路上存在尚未解決的問(wèn)題，需要政府、行業(yè)和設(shè)計(jì)人員共同努力去解決。

4.1 結(jié)構(gòu)計(jì)算功能劣勢(shì)

目前，雖然Revit軟件平臺(tái)可以完美對(duì)接結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件YJK，但仍無(wú)法實(shí)現(xiàn)基于Revit平臺(tái)本身的直接結(jié)構(gòu)計(jì)算功能，因此，Revit軟件無(wú)法直接進(jìn)行構(gòu)件各種工況下力學(xué)性能的分析，只能在結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件（如YJK、PKPM和Sap2000等）中進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，再轉(zhuǎn)換為Revit格式導(dǎo)入平臺(tái)中。這在一定程度上限制了全專(zhuān)業(yè)BIM協(xié)同的發(fā)展。

4.2 專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)人員缺口

由于BIM軟件本身比較復(fù)雜，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，專(zhuān)業(yè)人員需具備全面且系統(tǒng)的BIM專(zhuān)業(yè)知識(shí)以及全專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)知識(shí)和技能。對(duì)從業(yè)人員培養(yǎng)的要求相對(duì)較高，且需要大量實(shí)踐和培訓(xùn)，因此符合要求的專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)人員相對(duì)缺乏，在一定程度上限制了BIM的推廣。

4.3 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一

Revit軟件在出圖方面略有缺陷，在建筑專(zhuān)業(yè)大樣圖、剖面圖出圖過(guò)程中需要進(jìn)行完善。如文字說(shuō)明、標(biāo)志和線形顯示等。目前Revit軟件尚不具備通用標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展、BIM技術(shù)帶來(lái)的革新、建筑行業(yè)的迅速發(fā)展和創(chuàng)新，基于BIM的設(shè)計(jì)也得到越來(lái)越多的重視，同時(shí)，政府推廣力度持續(xù)加強(qiáng)、高校人才培養(yǎng)逐年增多、設(shè)計(jì)相關(guān)企業(yè)推動(dòng)BIM團(tuán)隊(duì)組建等，一定能夠推動(dòng)設(shè)計(jì)行業(yè)的革命。